采场底板突水机理的跨层拱结构模型

第41卷 第1期 煤田地质与勘探

Vol. 41 No.1 2013年2月

COAL GEOLOGY & EXPLORA TION

Feb. 2013

收稿日期:

2011-12-29

作者简介: 张文忠(1980—)，男，河南信阳人，工程师，从事煤矿水文地质与矿井水害防治方面的研究工作.

文章编号: 1001-1986(2013)01-0035-05

采场底板突水机理的跨层拱结构模型

张文忠1,2，虎维岳1

(1. 中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710054； 2. 西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

摘要: 开采华北型煤田受底板承压水威胁的煤炭资源，必须对底板围岩的破坏规律有所认识。为了弄清底板岩层的活动规律，利用实验室大型非线性三维计算机数值模拟，对煤层底板应力分布特征进行了研究。发现采场底板存在跨层拱结构，并指出跨层拱是承载地应力和水压的承载结构；通过理论计算，得出了跨层拱最大主应力的计算公式，据此可以得出底板岩层裂隙产生的位置，该成果可对华北型煤田受承压水威胁矿井的回采工作面宽度设计提供参考。 关 键 词：跨层拱；长壁开采；承压水；数学模型

中图分类号：TD12；P64 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.01.007

Structure model of cross-layer arc of water-inrush mechanism of coal seam floor

ZHANG Wenzhong 1,2, HU Weiyue 1

(1. Xi ′an Research Institute , China Coal Technology and Engineering Group Corp , Xi ′an 710054, China ;

2. School of Energy Resources, Xi ′an University of Science and Technology , Xi ′an 710054, China )

Abstract: To mine coal resources threatened by confined groundwater in seam floor in North China coal fields, it is necessary to understand the destruction regularities in surrounding rocks of the floor. In this paper, by the nonlinear three-dimensional computer laboratory simulation we studied deeply the stress distribution in seam floor and found that there is the cross-layer arc in the mining floor, pointed out that the cross-layer arc is a bearing structure of groundwater and water pressure. Through the theoretical calculation, we have obtained the biggest principal stress formula of cross-layer arch, according to the formula we got the position where the fractures occur in seam floor, providing the reference for the design of the width of coal face in coal mines threatened by the confined ground-water in North China coal fields.

Key words: cross-layer arc; longwall mining; confined groundwater; mathematical model

我国华北型煤田，大部分矿井已经开采石炭系下部煤层。由于石炭系下部煤层距奥陶系灰岩近，煤矿受岩溶水威胁，底板突水现象尤为突出。目前，北方主要矿区受深部承压水威胁的煤炭储量大于150亿t [1]，而要开采这些受水害威胁的煤炭资源，必须对底板围岩的破坏规律有所认识。

关于底板岩层的破断导致突水的原因，国内外许多学者经过大量的探测、观测、分析和实验研究，取得了不少成果。具有代表性的理论有：“下三带”理论[2]，该理论由荆自刚提出，认为煤层底板自上而下存在着采动破坏带、完整岩层带、导水高度带三个带。从该理论可知，采动破坏带的深度是可以通过技术手段来调整的，是防治水工作研究的重点；“零位破坏”与“原位张裂”理论[3]由王作宇、刘鸿泉提出，认为原位张裂带与底部含水层之间的空间剩余完整岩体为持力层，这层岩体的结构和性质直接影响含水层的水压向上运移。“递进导升”理论[4]由王经明提出，认为在矿压和水压的共同作用下，裂隙开裂、扩展，入侵高度递进发展，当和上部的底板破坏带相接时即发生突水。

作者从实际出发，结合数值模拟结果和理论分析，提出底板存在跨层拱结构，建立了跨层拱的力学模型，得出了跨层拱最大主应力计算公式，可对华北型煤田受岩溶水威胁矿井的回采工作面宽度设计提供参考。

1 跨层拱结构数值模拟

1.1 计算模型的建立

东庞矿为走向长壁综采放顶采煤工艺，井田发育有奥陶系、石炭系、二叠系及第四系地层(图1)。井田内9号主采煤层至奥陶系顶面厚度32~44 m ，奥灰水头按历史最高水位+72 m 计算，底板隔水层承受水压值为2.36~3.16 MPa 。其中9208工作面位于二采区，走向长1 023 m ，倾向长71 m ，工作面覆岩岩性参数